Móvil perpetuo de primera especie

Introducción.Había antes en la facultad de IFAL, frente al laboratorio de

computación, el dibujo de un aparato sencillo con la pregunta: « ¿por qué no es posible que este dispositivo funcione?» Ahora sé por qué.

El presente trabajo pretende hacer un breve recuento de la historia del móvil perpetuo de primera especie, y un pequeño análisis de aquellos diseños que me parecieron más interesantes.

Desarrollo.

1. El movimiento perpetuo es posible

No sólo es posible sino que existe en la naturaleza. El primer principio de la termodinámica, sobre la conservación de la energía, a veces se enuncia de la siguiente manera: «es imposible construir una máquina de funcionamiento periódico que produzca energía, en forma de trabajo, sin consumir una cantidad equivalente de energía», lo que implica la imposibilidad del móvil perpetuo de primera especie. Habría que puntualizar que tendría que recibir más energía de la que consume en forma de trabajo, porque siempre hay pérdidas en forma de calor.

En la naturaleza existen móviles perpetuos. Ejemplos claros son los planetas (en su movimiento alrededor del Sol) y las moléculas de los gases. Se mueven continuamente sin que tengamos que ir transfiriéndoles energía. A este movimiento perpetuo se le llama móvil perpetuo natural (perpetuum mobile naturae). Así que, en realidad, el movimiento perpetuo es posible, lo que es imposible es el trabajo perpetuo, es decir, una máquina no puede realizar trabajo continuamente si no consume una cantidad equivalente de energía. Los planetas se mueven continuamente pero sin realizar trabajo. También la Luna da vueltas alrededor de la Tierra de forma continua. Si se obtuviera trabajo de este movimiento, la Luna iría perdiendo velocidad, se acercaría a la Tierra y el movimiento ya no sería cíclico.

Una cosa es la energía y otra el trabajo. Los planetas sí tienen energía, cinética ya que se mueven, y potencial ya que están en un campo gravitatorio, en nuestro caso el del Sol. Pero no realizan ningún trabajo en su desplazamiento.

Entonces, el movimiento continuo existe bajo diversas formas (movimiento browniano, la rotación de los planetas, corrientes eléctricas en un superconductor, las moléculas de un gas, etc.) pero todo eso no sirve para obtener trabajo en procesos cíclicos.

Los autores de móviles perpetuos tienen muy claro que la verdadera utilidad de sus diseños reside en que se efectúen procesos cíclicos, pues de esta manera se pueden utilizar una y otra vez, y así proporcionar un beneficio de forma ilimitada. Si a estas máquinas se les da un impulso inicial, se puede lograr que estén girando de forma perpetua, con tal de que se cumplan dos condiciones:

1. No haya rozamiento en ninguna parte de la estructura del dispositivo.

2. No se obtenga nada de trabajo.Aún cuando no haya ninguna clase de rozamiento, si se obtiene

trabajo a partir de la máquina, como máximo se obtendrá el mismo que se le dio al comienzo para sacarla del equilibrio. Por tanto, por móviles perpetuos se entienden sistemas que, además de moverse indefinidamente, proporcionan energía también de forma indefinida.

2. Triste historia del móvil perpetuo

Lo más sorprendente de la historia del móvil perpetuo es, precisamente, que tenga tanta historia. Porque de lo que no cabe duda es de que ni existe, ni existirá. Ya van siglos de miles de intentos y de sus correspondientes fracasos. Lo segundo que más sorprende es que esta historia aún no se ha terminado. Todos los días aparece alguien con un nuevo diseño de móvil perpetuo y argumentos como “este sí funciona” y “Da Vinci no pudo, pero yo sí”, etc. Claro que, cuando llega la hora de las demostraciones y las cosas claras, todo se derrumba.

La existencia del perpetuum mobile significaría la obtención de una energía limpia e ilimitada. A través de la historia, se han imaginado toda clase de sistemas maravillosos para lograr un dispositivo capaz de realizar trabajo con alteración del primer principio de la termodinámica, es decir, que obtenga energía a partir de la nada, denominado móvil perpetuo de primera especie o mpp-1. El primer boceto en papel que se conserva de un móvil perpetuo de primera especie lo diseñó sobre el año 1150 un indio llamado Bhaskara. Se trataba de un sistema de tubos con mercurio líquido que, a pesar de ser el primero, superaba en ingenio a la mayoría de los móviles perpetuos que se diseñaron posteriormente en la Europa de la Edad Media y el Renacimiento.

Mpp de Bhaskara

Más tarde, el arquitecto D’Honnecourt propuso la típica rueda que siempre tenía más pesas a un lado que a otro, y que, por tanto, nunca pararía de girar. Este es el típico sistema (mpp-1 mecánico) que a muchos se les ocurre como posible. Tras el diseño de D’Honnecourt, la rueda con pesas se fue perfeccionando hasta niveles excelentes, pero nunca funcionó. Leonardo da Vinci cuenta con un boceto de móvil perpetuo entre sus dibujos. Se trata de un sistema de tornillos de agua y es tal su genialidad, que se dice que si se diseñara de la mejor manera posible, estaría al borde de ser un

móvil perpetuo. Afortunadamente, Da Vinci se dio cuenta de que tales máquinas son imposibles y dedicó la mayor parte de su tiempo a cosas mucho más productivas. Más tarde vinieron los móviles perpetuos magnéticos y los hidráulicos. Era difícil resistir la tentación de pensar que la fuerza de un imán pudiera mover una rueda de imanes sin parar. Los móviles perpetuos hidráulicos, por su parte, pretendían aprovechar el efecto sifón de tubos comunicantes. Todos ellos fueron un fracaso.

Pero la mezcla de buenas intenciones y sueños de grandeza ha llegado a confundir a muchísima gente. Un ejemplo hilarante es el de Orfireus, que llegó a ser famoso y a convencer a buena parte de la nobleza europea, e incluso al mismísimo zar de Rusia (que estuvo a punto de comprar su invento) con una “máquina maravillosa” y un “secreto inconfesable”. Logró mantener su engaño durante varios años gracias a que guardaba su máquina en un cuarto sellado en un castillo, y los que entraban solo podían echar un vistazo desde la puerta y, de esa forma, ver que siempre se movía. La realidad era que el motor era movido desde una habitación contigua por personas ocultas, el hermano del inventor y su sirvienta. Al final se descubrió todo porque su sirvienta se fue de la lengua. Esta historia, resumida aquí, resulta de gran diversión cuando se lee en detalle. Otro famoso farsante fue Kili, con sus motores americanos de fines del siglo XIX, que por supuesto tuvo un final parecido.

Ya en el siglo XX, los móviles perpetuos se fueron haciendo mucho más complejos y difíciles de discutir. Las leyes que pretendían violar (fundamentalmente el segundo y tercer principios de la termodinámica) son mucho más complicadas de explicar y, aprovechando esa confusión, no han perdido fuerza. El problema es que al examinar las ideas del móvil perpetuo de segunda especie es necesario no sólo revelar la contradicción con la ley de la naturaleza, sino también convencer a la persona de la inmutabilidad de esta ley. El segundo principio de la termodinámica no es tan evidente como el primero.

Lo tercero que más sorprende de este cuento es que esto no sea sólo cosa de gente sensacionalista y sin estudios, sino también de gente muy preparada y con amplios conocimientos de física, que no pierde la fe en la creación de tales fuentes ilimitadas de energía (no olvidar la crisis energética que vive el mundo actual). Dicho invento revolucionaría de tal manera nuestro mundo, que podríamos considerar como un salvador a su autor. La Academia de las Ciencias de París decidió rechazar todos los proyectos de móviles perpetuos desde 1775. ¿Cuánto habrá que esperar para que una decisión tan buena como esa eche raíces en nuestra cultura general?

3. Móvil perpetuo de primera especie

Los primeros móviles perpetuos descritos fueron dispositivos mecánicos más o menos complicados. En todos los casos se trata de dispositivos rotatorios (y este movimiento rotatorio se puede utilizar

para producir trabajo) que funcionan de tal manera que, supuestamente, nunca se encuentran en equilibrio mecánico. La búsqueda de ese inexistente equilibrio da lugar al movimiento perpetuo.

Máquina medieval de Ferguson,ejemplo clásico de un mpp-1 mecánico

Luego, es falso que el sistema esté desequilibrado permanentemente, y si lo está debido a un desequilibrio inicial inducido exteriormente, el punto de equilibrio se alcanzará con cierta rapidez (dependiendo del posible rozamiento). Hay una distribución de las masas con la que el centro de gravedad del sistema está en su posición más baja; esta es su posición de equilibrio estable.

La gravedad actúa igualmente sobre todas las partes del dispositivo, por lo que no puede ser causa de la alteración constante del equilibrio. Las fuerzas de gravitación no pueden realizar trabajo si el cuerpo se encuentra en el plano horizontal y su centro de gravedad no desciende.

Los móviles perpetuos magnéticos, que aparecieron más tarde, se basaban en la analogía entre la fuerza de la gravedad y la fuerza de atracción del imán.

El sifón, conocido ya desde tiempos antiguos (se menciona por Herón de Alejandría), se utilizaba para la transfusión del agua o aceite de un recipiente, ubicado más arriba, a otro, dispuesto más abajo.

Sifón

 La ventaja de semejante dispositivo simple, que se usa hasta hoy día, consiste en que se puede tomar el líquido del recipiente superior por arriba, sin hacer orificios en su fondo o paredes. La única condición del funcionamiento del sifón es el llenado total previo del tubo con líquido. Por cuanto entre los vasos superior e inferior existe diferencia de niveles, la altura de la columna de líquido en el codo largo del tubo es mayor que en el corto en la magnitud “altura”. Naturalmente, el líquido pasará por gravedad del vaso superior al inferior.

Surge la pregunta: ¿cómo se puede utilizar el sifón para la elevación del agua, si su objetivo es lo contrario, el vaciado del agua? Sin embargo, precisamente semejante idea paradójica fue expuesta cerca del año 1600 y descrita en el libro Nuevo teatro de máquinas y obras (1607) por el arquitecto italiano Vitorio Zonca.

Ella consistía en hacer el codo superior del sifón, el corto, más grueso, de mayor diámetro (D > d). En este caso, consideraba Zonca, el agua en el codo izquierdo, el grueso, a pesar de su menor altura superará al agua en el codo delgado y el sifón la atraerá en dirección contraria, del vaso inferior al superior. Él escribía: «La fuerza que se manifiesta en el codo grueso atraerá lo que entra por el codo más estrecho». A base de este principio debía funcionar el mpp de Zonca. El sifón tomaba el agua del depósito de agua inferior a la derecha al tubo estrecho (codo derecho del sifón); el agua se vaciaba del tubo ancho (el codo izquierdo del sifón) a un vaso situado a un nivel más alto que el depósito de agua, de donde se suministraba a la rueda hidráulica y se vaciaba de nuevo al depósito de agua. La rueda giraba, por intermedio de un árbol, la piedra molar de un molino.

Máquina de Zonca

Para entender por qué no funciona este motor no hay más que dar la vuelta a los dos tubos y llenarlos de agua. A pesar de que en uno de ellos hay mucha más cantidad de agua que en el otro, las alturas que alcanza el agua en cada uno de ellos es la misma. O lo que es igual, a través del orificio que une ambos tubos la presión es la misma con tal de que el agua alcance la misma altura en cada tubo y con independencia de la cantidad de agua que haya en cada uno.

Este es el principio de los vasos comunicantes, que conocemos desde la secundaria, y tan obvio como parece, era desconocido por aquellos tiempos. Si se coloca un líquido en varios vasos comunicantes, la altura que alcanza el líquido es la misma en todos ellos, con independencia de la forma de cada vaso.

Es decir, la presión en un líquido sólo depende de la profundidad y no de la cantidad de agua por encima. Por tanto, en el caso de la máquina de Zonca o no cae agua cuando se abre el tubo mayor, o si cae, el tubo menor no la repone en absoluto y también él se vacía.

La idea del mpp de Papin es muy similar, y es en esencia el tubo de Zonca puesto «bocarriba». Por cuanto en la parte ancha del vaso el peso del agua es mayor, su fuerza deberá sobrepasar la fuerza del

peso de la columna estrecha de agua en el tubo delgado. Por esta razón el agua se verterá continuamente del extremo del tubo delgado al vaso ancho. ¡Sólo queda colocar por debajo del chorro una rueda hidráulica y el mpp estará listo! ¡Qué maravilla!

Mpp de Papin (este es el dibujo al que me refería en la introducción de este trabajo)

Es evidente que en realidad no será así, la superficie del líquido en el tubo estrecho se establecerá a un mismo nivel que en el grueso, lo mismo que en cualquier sistema de vasos comunicantes.

4. Fin de la historia

Solo una ley única, que se extendiera a todos los fenómenos de la naturaleza, podría crear un frente científico impenetrable para todo mpp-1. Semejante ley se hizo en el siglo XIX: el principio de conservación de la energía. Cuando éste se confirmó, se terminó la física pre-energética y con ella se puso fin al móvil perpetuo de primera especie.

«...La creación del móvil perpetuo es absolutamente imposible; incluso si el rozamiento y la resistencia del medio no reducen la duración de la influencia de la fuerza actuante, ella no puede reproducir un efecto igual a ella. La causa de esto reside en lo siguiente: si queremos que el efecto producido por la fuerza de magnitud finita, actuara un tiempo infinito, es necesario que el efecto producido sea infinitamente pequeño.»[1]

El primer principio de la termodinámica permite no examinar detenidamente los detalles del dispositivo con el fin de determinar si funcionará o no. Hace falta solamente encerrarlo dentro de la superficie de control y calcular cuánta energía entra en total y cuánta sale, y si sale más de la que entra, la discusión ha terminado. Está presente la infracción de la ley de la naturaleza: la obtención de energía de la nada. El móvil perpetuo de primera especie es imposible.

Conclusiones.El móvil perpetuo de primera especie ocupa en la historia de la

ciencia y la técnica un lugar especial y notable, pese a que no existe ni puede existir. Esta contradicción se explica, ante todo, porque la búsqueda del móvil perpetuo de primera especie por los inventores, que continuó por cientos de años, está relacionada con la formación de la representación de la noción fundamental de la física: la energía. Incluso se puede afirmar que la lucha contra los errores de los inventores de los mpp-1 y de sus defensores científicos contribuyó, en gran medida, al establecimiento de la ciencia sobre las transformaciones energéticas: la termodinámica.

Bibliografía.[1] 1778. Historia de la Real Academia de Ciencias. Paris, P. 65-66.[2] Brodinaski, V. M. Móvil perpetuo antes y ahora. [3] Güémez, J. Móviles perpetuos. Departamento de Física Aplicada. Universidad de Cantabria. Diciembre 12, 2003.[4] Sifón. Microsoft® Student 2008 [DVD]. Microsoft Corporation, 2007.